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热力学基础大学物理笔记期末复习发布于2024

目

录

CONTENCT

热力学基本概念与定律

热量传递与热辐射

气体分子动理论及统计规律

热力学循环与效率问题

相变过程与潜热计算

热力学在日常生活中的应用

01

热力学基本概念与定律

热力学系统

环境

孤立系统

由大量微观粒子组成的宏观物体或物体集合，简称系统。

与系统发生相互作用而又不属于系统的其他物体，简称环境。

与环境既没有物质交换也没有能量交换的系统。

80%

80%

100%

描述系统状态的物理量，如压强、体积、温度等。

系统在没有外界影响的条件下，各状态参量均不随时间变化的状态。

两个系统与环境相隔绝，经过足够长的时间后，彼此间没有热量交换的状态。

状态参量

平衡态

热平衡

热力学第零定律

温度概念

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。

热力学系统的一个物理属性，在热平衡中具有“共同标准”的意义，反映系统的冷热程度。

热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

热力学第一定律的表述

ΔU=Q+W，其中ΔU为系统内能的变化量，Q为系统吸收的热量，W为外界对系统所做的功。

热力学第一定律的数学表达式

不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。

热力学第二定律的表述

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。

热力学第二定律的微观解释

孤立系统的熵永不减小，即孤立系统的自然过程总是向着熵增加的方向进行。

熵增加原理

02

热量传递与热辐射

热传导

热对流

热辐射

流体中由于温度差异引起的相对流动和热量传递。

物体通过电磁波形式发射并传播能量，不需要介质。

物体内部或相互接触的物体表面之间，由于温度梯度引起的内能交换。

稳态导热

物体内部温度分布不随时间变化，仅与位置有关。

非稳态导热

物体内部温度分布随时间变化，与位置和时间均有关。

热辐射基本定律

斯特藩-玻尔兹曼定律、维恩位移定律、基尔霍夫定律。

辐射换热过程

物体表面吸收和发射辐射能，通过介质传播并与其他物体进行能量交换。

能吸收全部入射辐射，且在同一温度下辐射能力最强的物体。

描述黑体辐射光谱分布规律的公式，揭示了辐射能量按波长分布的规律。

普朗克定律

黑体辐射

实际物体的辐射与吸收

实际物体既非完全黑体也非完全白体，其辐射和吸收特性与表面状态、温度等因素有关。

发射率和吸收率

描述实际物体与黑体辐射性能接近程度的参数，发射率越接近1，物体辐射能力越强；吸收率越接近1，物体吸收辐射能力越强。

03

气体分子动理论及统计规律

分子的无规则运动

气体分子永不停息地做无规则运动，这种运动与温度有关，温度越高，运动越剧烈。

分子间相互作用力

气体分子之间存在着相互作用力，但这种力在气体状态下非常微弱，可以忽略不计。

大量分子的统计规律

对于大量气体分子，其运动遵循统计规律，如麦克斯韦速度分布律。

气体对容器壁的压强是大量气体分子对容器壁频繁碰撞的结果，单位时间内碰撞容器壁单位面积的气体分子数越多，压强越大。

压强的微观解释

温度是物体分子热运动平均动能的标志，温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。

温度的微观解释

对于理想气体，每个自由度上的平均动能都相等，且等于kT/2，其中k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

能量均分定理

理想气体的内能只与温度有关，与体积无关。当理想气体温度升高时，其内能增加；温度降低时，内能减少。

理想气体内能

VS

在一定温度下，气体分子在各个方向上的速度分布遵循一定的统计规律，即麦克斯韦速度分布律。该定律表明，速度大的分子数少，速度小的分子数多。

速率分布函数

描述气体分子速率分布的函数，该函数与温度、分子质量等因素有关。

麦克斯韦速度分布律

气体分子之间以及气体分子与器壁之间都会发生频繁的碰撞，这些碰撞是气体压强产生和气体分子动能传递的重要原因。

气体分子在连续两次碰撞之间所通过的平均路程称为平均自由程。平均自由程与气体的压强、温度和分子直径等因素有关。在压强一定时，温度越高或分子直径越小，平均自由程越大。

气体分子碰撞

平均自由程

04

热力学循环与效率问题

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03

04

卡诺循环定义

效率计算公式

卡诺定理

卡诺循环的意义

在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆热机，其效率都相等，与工作物质无关。

η=1-T2/T1，其中T1和T2分别为高温和低温热源温度。

由两个等温过程和两个绝热过程组成的理想可逆循环。

为热力学第二定律的提出奠定了基础，揭示了热机效率的最大可能性。

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03

不可逆损失

实际热机效率

提高效率的方法

由于摩擦、传热等不可逆因素导致的